Monitoring von Energiesystemen / 1.1 Energiesysteme und Energieumwandlungsprozesse

In der Energiewirtschaft wird heute eine Vielzahl von Energieumwandlungssystemen eingesetzt. Dabei unterscheidet man zwischen:

• Energiebereitstellung: Stromerzeugung in Kraftwerken, Wärmeerzeugung in Heizwerken, Öl- und Gasversorgung.
• Energiespeicherung: Pumpspeicher in Form von Stauseen und Kavernen, chemische Speicher wie Wasserstoff oder Methan, Öl- und Gasspeicher, Batteriespeicher.
• Energieverteilung: Stromnetz, Gasnetz, Fernwärmenetze, Nahwärmenetze, Kältenetze, Druckluftverteilungen.
• Energienutzung bzw. Energieübergabe: Heiznetz eines Gebäudes, Klimaanlage, elektrische Verbraucher in Industrie, Gewerbe und Privathaushalten, Fahrzeugmotoren.

Wichtig

Energiewirtschaftliche Einteilung der Energieprozesse

• Energiebereitstellung
• Energiespeicherung
• Energieverteilung
• Energienutzung bzw. Energieübergabe

In den Energiesystemen findet ständig eine Umwandlung der Energie in unterschiedlichste Energieformen statt:

• Ausgangsprodukt: Primärenergie – Rohform von Energie, wie Erdöl, Erdgas oder Kohle, aber auch Windenergie, solare Einstrahlung, Biomasse.
• Zwischenprodukt: Sekundärenergie. Sie ist oft leitungsgebunden und handelbar. Dazu zählen elektrischer Strom, Heizöl, Benzin und Diesel, Erd- und Biogas, Heizwasser der Fernwärme, Holzpellets.
• Endenergie steht dem Nutzer als Energie für Bedarfe, wie Gebäudeheizung, Beleuchtung, Warmwasserbereitung, Antrieb von Maschinen, zur Verfügung.
• Nutzenergie liegt schließlich nach Umwandlung der Endenergie in die elementaren Energie-Nutzformen, wie Kraft, Arbeit, Wärme und Licht, vor.

Energie kann nach den Gesetzen der Thermodynamik nicht verbraucht oder hergestellt, also produziert werden. Sie ist quasi ein Potenzial, das der Materie innewohnt. Dieses Potenzial wandelt sich ständig in andere Formen um. Der Ursprung des Wortes Energie lässt sich auf das griechische Wort enegeia zurückführen, was nichts anderes bedeutet als das Umwandelbare. Der griechische Philosoph Aristoteles kreierte einst das Wort energeia, um Veränderungen und Entwicklungen begrifflich zu klären. Mit energeia bezeichnete er die Tätigkeit, welche die Veränderung herbeiführt und sichtbar macht. Wenn im Folgenden dennoch von Energieverbrauch die Rede ist, so ist das umgangssprachlich gemeint, so wie der Begriff in den allgemeinen Veröffentlichungen und Statistiken verwendet wird. Der informierte Leser wird jedoch immer die Thermodynamik im Kopf behalten und anstelle von Energieverbrauch eher den Begriff Energienutzung und anstelle von Energieproduktion die Energiebereitstellung sehen.

Wichtig

Kategorien der Energie bei der Umwandlung vom Rohstoff Energie in Nutzenergie

• Primärenergie: Energierohform
• Sekundärenergie: Leitungsgebundene, handelbare Energie
• Endenergie: Vom Nutzer eingesetzte Energie
• Nutzenergie: Elementare Nutzform der Energie

Bei diesen Energieumwandlungsvorgängen entstehen Verluste u. a. in Form von Reibung und Abwärme. I. d. R. wird dabei eine hochwertige Energieform wie Erdöl, das bestens gelagert, transportiert und vielfältig genutzt werden kann, in eine geringwertige Energieform wie Raumwärme bei 22 °C, die nur noch zum Beheizen von Gebäuden genutzt werden kann, umgewandelt. Die Thermodynamik spricht hier von Exergieverlust und Entropiezunahme. Wir sprechen hier auch eher umgangssprachlich von Ressourcenverbrauch. Dabei gehen die Erdölvorräte zur Neige und sind am Ende in Form von Umgebungswärme nicht weiter nutzbar.

Werden für die Bereitstellung von Energie fossile Brennstoffe, wie Kohle, Erdöl oder Erdgas, eingesetzt, entsteht beim Umwandlungsprozess in Kraftwerken, Motoren und Heizkesseln eine Vielzahl von Emissionen, die als Schadstoffe die Umwelt belasten. Bei fossilen Energieträgern sind das u. a. die CO2-Emissionen.

Dabei wird heute den CO2-Emissionen eine besondere Bedeutung beim Klimawandel auf der Erde zugeschrieben. Deshalb wird weltweit versucht, die Emissionen an CO2 als Treibhausgas zu begrenzen. Die deutsche Bundesregierung hat dazu folgende Vorgaben gemacht. So sollen die CO2-Emissionen in Deutschland bis 2030 im Vergleich zum Jahr 1990 um mindestens 40 % reduziert werden. Speziell im Bereich der Stromerzeugung soll bis 2030 der Anteil an regenerativen, also nicht auf fossilen Energieträgern basierenden, Energiequellen, auf mindestens 50 %, möglichst jedoch auf 65 % erhöht werden und der Anteil an Bruttoendenergienutzung auf 30 % angehoben werden.

Die EU gibt als Rahmen für die Klima- und Energiepolitik 2030 eine CO2-Emissionsminderung gegenüber 1990 um 40 % vor. Weltweit einigten sich bei der Klimakonferenz von Paris im Jahre 2015 insgesamt 196 Nationen darauf, die globale Erwärmung auf 2 Grad, bezogen auf die vorindustrielle Zeit, zu begrenzen. Bis 2100 soll weltweit eine Null-CO2-Emission erreicht werden. Derzeit nähern wir uns bereits einem entsprechenden globalen Temperaturanstieg von 1,5 Grad. Dabei wird davon ausgegangen, dass die anthropogene, also vom Menschen verursachte, CO2-Emission über den Treibhauseffekt entscheidend zur globalen Klimaerwärmung beiträgt.

Welchen Anteil ...